35粘土-水系统胶体化学

第四节粘土-水系统胶体化学粘土胶体粘土的离子吸附与交换粘土-水系统的电动性质粘土-水系统的胶体性质瘠性料的悬浮与塑化泥浆：溶胶-悬浮液-粗分散体系1.带电机理1）晶格内离子的同晶置换（同晶取代）2）颗粒边棱的价键断裂（边棱破键）3）颗粒表面（有机）腐殖质电离一、粘土胶体（一）粘土的荷电性与带电原因2.负电荷（1）各族矿物荷负电的多少，取决于晶格内的同晶置换的多少蒙脱石伊利石高岭石（2）负电荷分布：层状硅酸盐的板面上2.两性电荷（1）荷电性与介质PH值的关系高岭石在酸性条件下，边面带正电（2）正电荷分布：层状硅酸盐的边棱、边面上3.净电荷粘土带负电荷（二）粘土与水的结合三种途径：通过氢键结合极性水分子在粘土表面的定向排列水化离子带进去的水1.粘土与水的结合方式（牢固结合水和松结合水）2）吸附水1）结构水（2）粘土中水的类型（位置、作用）以OH基的形式存在于粘土矿物的晶格结构中。以水分子的形式吸附在粘土矿物层间。按结合力的大小，分为：牢固结合水疏松结合水自由水影响结合水量的因素：1）粘土矿物的种类：蒙脱石高岭石2）粘土的分散度：细度越大，结合水量越高3）吸附离子的种类：不同价M＋M2＋M3＋同价Li＋Na＋K＋结构水结合水自由水牢固结合水松结合水含义以OH基形式存在于粘土晶格结构内的水吸附在粘土矿物层间及表面的定向水分子层，它与粘土胶粒形成整体并一起移动粘土表面定向排列过渡到非定向排列的水层，它处于胶粒的扩散层内粘土胶团外的非定向水分子层作用范围在粘土的结构内3～10个水分子层20nm20nm特点脱水温度高（400～600℃），脱水后粘土结构破坏脱水温度低（100～200℃），脱水后晶格结构不受破坏密度大、热容小，介电常数小，冰点低（三）粘土胶团结构二、粘土的离子交换与吸附1、离子交换的概念粘土阳离子交换：粘土颗粒吸附的阳离子被溶液中其它浓度大、价数高的阳离子所交换2、阳离子交换的特点1）同号离子相交换2）等当量交换3）交换、吸附是可逆过程4）交换不影响粘土本身结构3、吸附与交换的区别离子吸附和离子交换是一个反应中同时进行的两个不同过程。离子吸附：是粘土胶体与离子之间的相互作用离子交换：是离子之间的相互作用应用：提纯粘土和制备单一离子的粘土4、阳离子交换容量阳离子交换容量：为PH＝7时100g干粘土所吸附的离子的毫克当量数。影响因素：1）粘土矿物组成：与同晶置换多少有关蒙脱石伊利石高岭石2）粘土的细度、含腐殖质数量、溶液的PH值、离子浓度等常见粘土的阳离子交换容量矿物高岭石多水高岭石伊利石蒙脱石蛭石阳离子交换容量（100g土）/mmol3～1520～4010～4075～150100～1505、阳离子交换顺序与粘土与离子间的作用力有关电价因素离子大小※※粘土阳离子交换顺序：H＋Al3＋Ba2＋Sr2＋Ca2＋NH4＋K＋Na＋Li＋三、粘土－水系统电动性质带电荷的粘土胶体分散在水中时，在胶体颗粒和液相的界面上会有扩散双电层出现。在电场或其它力场作用下，带电粘土与双电层的运动部分之间发生剪切运动而出现来的电学性质称为电动性质。粘土离子的扩散双电层φ吸附层：在外电场作用下，粘土质点与一部分吸附牢固的水化阳离子随粘土质点相正极移动，这一层称为吸附层。扩散层：另一部分水化阳离子不随粘土质点移动，却向负极移动，这层称为扩散层。电动电位（ζ-电位）：在外电场作用下，因吸附层与扩散层各带有相反电荷，在相对移动时两者之间就存在着电位差，这个电位差称为电动电位或ζ-电位。1、影响ζ-电位的因素（1）阳离子电价的影响阳离子饱和粘土负电荷时的ζ-电位，与离子水化度及离子与粘土吸引力强弱有关。H＋→Li＋，ζ-电位升高（2）阳离子浓度的影响Dd4d：双电层厚度（3）其它因素腐殖质含量、粘土的矿物组成、电解质阴离子作用、粘土胶粒形状和大小、表面光滑度等。2、ζ-电位对泥浆性能的影响ζ-电位高，泥浆的稳定性好、流动性好当，泥浆是稳定的mV50四、粘土－水系统胶体性质（一）流变学基础常见的流动类型：1）牛顿型流体（理想流体）2）宾汉流动3）塑性流动4）假塑性流动5）膨胀流动（二）泥浆的流动性与稳定性1、泥浆的粘度kc10η0——纯水的粘度；c——粘土的体积浓度；k——与颗粒形状有关的系数。2、泥浆的稀释与增稠胶溶（稀释）：泥浆粘度显著降低，粘土在水中充分分散。絮凝（增稠）：泥浆中粘土颗粒相互聚集，粘度升高。3、泥浆稀释机理泥浆粘度与结构的关系:1）平行结构（面－面分散）2）卡片结构（边－面分散）3）棚架结构（边－边分散）泥浆稀释过程实际上是拆散泥浆内部网架结构，使边－边、边－面结合转变成面－面排列的过程。1）介质呈碱性；2）必须有R＋交换粘土原来吸附离子；3）阴离子的作用：形成络合物、聚合阴离子。4、泥浆胶溶条件泥浆的滤水性（三）泥浆的触变性与膨胀性1、触变性（1）含义：P135（2）特征：假塑性流动（3）产生原因：“卡片结构”的形成与解体（4）影响因素：粘土含水量、粘土矿物组成、粘土胶粒的大小与形状、电解质种类和数量、温度的影响2、膨胀性系统搅拌时变稠（粘度升高），停止搅拌恢复流动性膨胀流动（四）粘土的可塑性1、定义：当粘土与适当比例的水混合均匀制成泥团，该泥团受到高于某一个数值剪切应力作用后，可以塑造成任何形状，当去除应力泥团能保持其形状，这种性质称为可塑性。2、产生原因：（1）吸力：范德华力、局部边－面静电引力、毛细管力，作用范围2nm。（2）斥力：静电斥力（粘土颗粒间的ζ-电位），作用范围20nm。粘土颗粒间作用力吸力和斥力平衡3、影响因素：（1）含水量的影响：（2）电解质的影响：吸附阳离子的种类（3）粘土矿物组成的影响：（4）颗粒大小和形状的影响：（5）泥料处理工艺的影响：（6）腐殖质含量、添加塑化剂的影响：二、瘠性料的悬浮一、概述1、料浆PH值的控制2、有机表面活性剂的添加五、瘠性料的悬浮与塑化1、料浆PH值的控制：在Al2O3－H2O系统中，加入少量盐酸：例：在酸性介质中：在碱性介质中：HClOHAlClOHOHAlClHClOHAlClOHAlClOHAlClHClOAl2222232332)(3262222322AlONaNaAlOOHNaAlONaOHOAl2、有机表面活性剂的添加阿拉伯胶：加入量少时聚沉；加入量多时悬浮。三、瘠性料的塑化1、天然塑化剂：粘土2、有机塑化剂：有机高分子化合物